Základy vnímání barev. Ahoj studente Rhodopsin vizuální cyklus
Citlivost a zraková ostrost. Citlivost na intenzitu světla je určena tyčinkami a čípky. Jsou mezi nimi dva významné rozdíly, které vysvětlují řadu jevů spojených s vnímáním intenzity neboli jasu.
První rozdíl je v tom, že v průměru jedna gangliová buňka je spojena s více tyčinkami než čípky; proto mají „tyčovité“ gangliové buňky více vstupů než „kuželové“ buňky. Druhým rozdílem je, že tyčinky a čípky jsou na sítnici umístěny odlišně. Ve foveální zóně je mnoho čípků, ale žádné tyčinky, a na periferii je mnoho tyčinek, ale relativně málo čípků. Protože gangliová buňka je spojena s více tyčinkami než čípky, je tyčinkové vidění citlivější než čípkové vidění. Na Obr. Obrázek 4.11 přesně ukazuje, jak se to stane. Na levé straně obrázku jsou tři sousední čípky, z nichž každý je spojen (nepřímo) s jednou gangliovou buňkou; pravá strana obrázku ukazuje tři sousední tyčinky, které jsou všechny připojeny (ne přímo) ke stejné gangliové buňce.
Abyste pochopili, co znamenají tyto různé vzory "zapojení" kužele a tyče, představte si, že tyče a kužely jsou prezentovány se třemi velmi slabými, blízko sebe umístěnými světelnými body. Když je světelný bod prezentován čípkům, může být jednotlivě příliš slabý na to, aby produkoval nervový impuls na svém odpovídajícím receptoru, a proto žádný nervový impuls nedosáhne gangliové buňky. Ale když jsou tyčinkám prezentovány stejné tři skvrny, aktivace z těchto tří receptorů může být kombinována a pak bude tento součet dostatečný k vyvolání nervové reakce v gangliové buňce. Spojení více tyčinek do jedné gangliové buňky tedy zajišťuje konvergenci neurální aktivity a právě díky této konvergenci je tyčinkové vidění citlivější než vidění čípkové.
Tato výhoda citlivosti však něco stojí, konkrétně nižší zraková ostrost ve srovnání s kuželovým viděním (zraková ostrost je schopnost rozlišovat detaily). Podívejme se znovu na dva diagramy na obr. 4.10, ale teď si představte, že tři sousední světelné body jsou docela jasné. Když je prezentováno čípkům, každé místo způsobí nervovou odezvu v odpovídajícím receptoru, což zase povede k nervovým impulsům ve třech různých gangliových buňkách; Do mozku budou odeslány tři různé zprávy a systém se bude moci dozvědět o existenci tří různých objektů. Pokud jsou tyto tři sousední světelné skvrny prezentovány tyčinkám, neurální aktivita ze všech tří receptorů bude spojena a přenesena do jediné gangliové buňky; proto bude do mozku odeslána pouze jedna zpráva a systém nebude mít žádný způsob, jak se dozvědět o existenci více než jednoho objektu. Stručně řečeno, způsob připojení receptorů k gangliovým buňkám vysvětluje rozdíly v citlivosti a ostrosti vidění tyčinek a čípků.
Dalším důsledkem těchto rozdílů je, že lidé detekují slabé světlo lépe na periferii tyčinky než ve fovee.
Takže i když je zraková ostrost větší ve fovea než na periferii, citlivost je větší na periferii. Skutečnost, že citlivost na periferii je vyšší, může být stanovena měřením absolutního prahu subjektu, když jsou vystaveny záblesky světla v temné místnosti. Práh bude nižší (to znamená větší citlivost), pokud se subjekt dívá mírně do strany, takže záblesky jsou vidět v periferním vidění, než když se dívá přímo na záblesky a světlo vstupuje do fovey. Již jsme viděli jeden z důsledků menšího počtu čípků na periferii (viz obrázek 4.9). Účinky distribuce tyčinek lze zjistit, když se podíváme na hvězdy v noci. Možná jste si všimli, že abyste slabou hvězdu viděli co nejjasněji, musíte mírně změnit směr pohledu k jednomu okraji hvězdy. Díky tomu je světlem hvězdy aktivován maximální možný počet tyčí.
Adaptace na světlo. Dosud jsme zdůrazňovali, že lidé jsou citliví na změny ve stimulaci. Druhá strana mince je, že pokud nedojde ke změně podnětu, člověk se mu přizpůsobí. Dobrý příklad adaptace osvětlení lze vidět při vstupu do tmavého kina ze sluncem zalité ulice. Zpočátku ve slabém světle odraženém od obrazovky sotva něco rozeznáte. Po několika minutách však vidíte dost dobře na to, abyste si našli místo. Po nějaké době můžete rozlišit obličeje při slabém osvětlení. Když znovu vystoupíte na jasně osvětlenou ulici, téměř vše zpočátku vypadá bolestně jasně a v tomto jasném světle není možné nic rozlišit. Vše se však vrátí do normálu za méně než minutu, protože adaptace na jasnější světlo probíhá rychleji. Na Obr. Obrázek 4.12 ukazuje, jak absolutní práh klesá s časem ve tmě. Křivka se skládá ze dvou větví. Horní větev je spojena s prací kuželů a spodní větev - s tyčemi. Prutovému systému trvá mnohem déle, než se přizpůsobí, ale je citlivý na mnohem slabší světlo.
Článek přináší údaje o fungování zrakového cyklu u vyšších živočichů a lidí. Fotocyklus chromoforového proteinu transmembránového receptoru rhodopsinu obsahujícího sítnici, který je zodpovědný za funkce vnímání světla, když je absorbováno světelnou kvantovou molekulou a následné biochemické reakce spojené s uzavřením kationtových (Na + /Ca 2+) kanálů a membránová hyperpolarizace. Je ukázán mechanismus interakce rodopsinu s receptorem G-protein transducin, což je klíčový biochemický krok ve zrakovém procesu, spočívající v aktivaci transducinu při jeho interakci s aktivovaným rodopsinem a výměně GTP ve vázaném stavu za HDP . Komplex pak disociuje a aktivuje fosfodiesterázu nahrazením její inhibiční podjednotky. Uvažuje se také o mechanismu vnímání barev zrakovým aparátem, který má schopnost analyzovat určité rozsahy optického spektra jako barvy. Smícháním zelené a červené nevznikne žádná střední barva: mozek ji vnímá jako žlutou. Při vyzařování elektromagnetických vln odpovídajících zelené a červené vnímá mozek „střední roztok“ - žlutou.
ÚVOD
Vize (vizuální vnímání) je proces psychofyziologického zpracování obrazů objektů v okolním světě, prováděný vizuálním systémem, a umožňující získat představu o velikosti, tvaru a barvě okolních objektů, jejich relativní poloze. a vzdálenost mezi nimi. Prostřednictvím zraku dostává člověk 90 % všech informací vstupujících do mozku. Není náhodou, že role zraku v lidském životě je tak obrovská. Pomocí zraku člověk získá nejen obrovské množství informací o vnějším světě, ale může se také kochat krásou přírody a skvělými uměleckými díly. Zdrojem zrakového vjemu je světlo vyzařované nebo odražené od předmětů ve vnějším světě.
Funkce zraku se uskutečňuje díky složitému systému různých vzájemně propojených struktur - vizuálního analyzátoru, který se skládá z periferní části (sítnice, zrakový nerv, optický trakt) a centrální části, kombinující subkortikální a kmenová centra středního mozku, stejně jako vizuální oblast mozkové kůry. Lidské oko vnímá světelné vlny pouze určité délky - od 380 do 770 nm. Světelné paprsky z předmětných předmětů procházejí optickým systémem oka (rohovka, čočka a sklivec) a dopadají na sítnici, ve které jsou umístěny světlocitlivé buňky - fotoreceptory (čípky a tyčinky). Světlo dopadající na fotoreceptory způsobí kaskádu biochemických reakcí zrakových pigmentů, které obsahují (zejména nejstudovanějšího z nich, rodopsinu, který je zodpovědný za vnímání elektromagnetického záření ve viditelné oblasti), a následně výskyt nervové vzruchy, které jsou přenášeny na následující neurony sítnice a dále do zrakového nervu. Podél zrakových nervů, pak podél zrakových drah, nervové impulsy vstupují do laterálního genikulátu - subkortikálního centra vidění a odtud do korového centra vidění, které se nachází v okcipitálních lalocích mozku, kde se tvoří zrakový dojde k obrazu.
Ruští a zahraniční vědci během posledního desetiletí získali nová data odhalující molekulární základy zrakového vnímání. Byly identifikovány vizuální molekuly zapojené do reakce na světlo a byl odhalen mechanismus jejich působení. Tento článek zkoumá základní biochemické mechanismy spojené se zrakovým vnímáním a vývojem zrakových molekul.
Molekulární základ vidění.
Proces vnímání světla má specifickou lokalizaci ve fotoreceptorových buňkách sítnice, které jsou citlivé na světlo. Sítnice je vícevrstvá vrstva nervové tkáně citlivé na světlo, která vystýlá vnitřní zadní část oční bulvy. Sítnice se nachází na pigmentované membráně zvané retinální pigmentový epitel (RPE), která absorbuje světlo procházející sítnicí. To zabraňuje tomu, aby se světlo odráželo zpět přes sítnici a znovu reagovalo, což zabraňuje rozostření vidění.
Světlo proniká do oka a vytváří složitou biochemickou reakci ve fotoreceptorových buňkách sítnice citlivých na světlo. Fotoreceptorové buňky se dělí na dva typy, které se pro svůj charakteristický tvar nazývají tyčinky a čípky (obr. 1). Tyčinky jsou umístěny v barevné vrstvě sítnice, ve které je syntetizován fotochromní protein rodopsin, zodpovědný za vnímání barev, a jsou to receptory světla s nízkou intenzitou. Čípky vylučují skupinu zrakových pigmentů (jodopsin) a jsou přizpůsobeny k rozlišení barev. Tyčinky umožňují vidět černobílé obrázky v tlumeném světle; Čípky poskytují barevné vidění v jasném světle. Lidská sítnice obsahuje asi 3 miliony čípků a 100 milionů tyčinek. Jejich rozměry jsou velmi malé: délka asi 50 mikronů, průměr - od 1 do 4 mikronů.
Elektrické signály generované čípky a tyčinkami jsou zpracovávány jinými buňkami sítnice – bipolárními buňkami a gangliovými buňkami – předtím, než jsou přenášeny do mozku prostřednictvím optického nervu. Kromě toho existují další dvě vrstvy mezilehlých neuronů. Horizontální buňky si předávají zprávy tam a zpět mezi fotoreceptorovými buňkami, bipolárními buňkami a mezi sebou navzájem. Amakrinní buňky (buňky sítnice) jsou propojeny s bipolárními buňkami, gangliovými buňkami a také mezi sebou navzájem. Oba typy takových interneuronů hrají hlavní roli při zpracování vizuální informace na úrovni sítnice před tím, než je přenesena do mozku ke konečnému zpracování.
Čípky jsou asi 100krát méně citlivé na světlo než tyčinky, ale mnohem lépe detekují rychlé pohyby. Tyč může být vybuzena jediným fotonem, nejmenším možným množstvím světla. Kaskáda molekulárních interakcí zesiluje toto „kvantum“ informací na chemický signál, který je pak vnímán nervovým systémem. Stupeň zesílení signálu se liší v závislosti na osvětlení pozadí: tyče jsou citlivější v šeru než v jasném světle. Díky tomu efektivně fungují v širokém rozsahu osvětlení pozadí. Tyčinkový senzorický systém je zabalen do jasně rozlišitelných buněčných substruktur, které lze snadno izolovat a zkoumat. v in vitro.
Kužele a tyče mají podobnou strukturu a skládají se ze čtyř částí. V jejich struktuře je obvyklé rozlišovat:
vnější segment obsahující membránové poloviční disky;
vnitřní segment obsahující mitochondrie;
spojovací úsek - zúžení;
synaptickou oblast.
Struktura tyče je dlouhá tenká buňka, rozdělená na dvě části. Vnější segment buňky obsahuje většinu molekulárního aparátu, který detekuje světlo a iniciuje nervové impulsy. Vnitřní segment je zodpovědný za generování energie a aktualizaci molekul ve vnějším segmentu. Vnitřní segment navíc tvoří synaptický terminál, který slouží ke komunikaci s ostatními buňkami. Při mírném otřesu izolované sítnice odpadnou vnější segmenty tyčinek a lze vyšetřit celý budicí aparát. v in vitro ve vysoce čisté formě. Tato vlastnost tyčinek z nich činí nepostradatelný předmět studia pro biochemiky.
Vnější segment tyče je úzká trubice naplněná hromádkou tenkých membránových kotoučů; tvořený cytoplazmatickou membránou a oddělený od ní. V jedné buňce je jich asi 2 tisíce. Trubice i disky jsou tvořeny dvouvrstvou cytoplazmatickou membránou stejného typu. Ale vnější (plazmatická) membrána tyčinky a membrána plotének mají různé funkce při fotorecepci světla a vytváření nervových impulsů. Disky obsahují většinu proteinových molekul zapojených do absorpce světla a zahájení excitační reakce. Vnější membrána slouží k přeměně chemického signálu na elektrický.
Spojení mezi těmito dvěma segmenty se provádí prostřednictvím cytoplazmy a páru řasinek přecházejících z jednoho segmentu do druhého. Řasinky obsahují pouze 9 periferních dubletů mikrotubulů: chybí pár centrálních mikrotubulů charakteristický pro řasinky. Vnitřní segment tyče je oblastí aktivního metabolismu; je vyplněn mitochondriemi, které dodávají energii pro procesy vidění, a polyribozomy, na kterých se syntetizují proteiny podílející se na tvorbě membránových plotének a zrakový pigment rodopsin.
RHODOPSIN A JEHO KONSTRUKČNÍ A FUNKČNÍ VLASTNOSTI
Mezi nejdůležitější integrální molekuly proteinů transmembránového receptoru G asociovaných s membránou disku patří rodopsin. Jedná se o tyčinkový fotoreceptorový chromoforový protein, který absorbuje foton a vytváří odezvu, první krok v řetězci událostí, které vytvářejí vidění. Rhodopsin se skládá ze dvou složek - bezbarvého opsinového proteinu, který funguje jako enzym a kovalentně vázané chromoforové složky - derivátu vitaminu A, 11- cís-retinal, který přijímá světlo (obr. 2). Absorpce fotonu světla 11- cís-retinal „zapíná“ enzymatickou aktivitu opsinu a aktivuje biochemickou kaskádu fotosenzitivních reakcí odpovědných za zrakové vnímání.
Rhodopsin patří do rodiny G-receptorů (GPCR receptorů), zodpovědných za mechanismus transmembránového přenosu signálu, založeného na interakci s intracelulárními membránovými G-proteiny - signálními G-proteiny, které jsou univerzálními prostředníky při přenosu hormonálních signálů z buňky. membránových receptorů na efektorové proteiny, což způsobuje konečnou buněčnou odpověď. Stanovení jeho prostorové struktury je důležité v biologii a medicíně, protože rhodopsin jako „předek“ rodiny receptorů GPCR je „modelem“ struktury a funkcí mnoha dalších receptorů, které jsou mimořádně důležité z vědeckého, fundamentálního a praktického hlediska. (farmakologická) hlediska.
Prostorovou strukturu rodopsinu po dlouhou dobu nebylo možné studovat „přímými“ metodami - rentgenovou difrakční analýzou a NMR spektroskopií, zatímco molekulární struktura jiného transmembránového proteinu bakteriorhodopsinu, příbuzného rodopsinu, s podobnou strukturou, vykonávající funkce ATP-dependentní translokázy v buněčných membránách halofilních mikroorganismů, pumpující protony přes cytoplazmatickou buněčnou membránu a účastnící se anaerobní fotosyntetické fosforylace (syntéza bez chlorofylu), byla identifikována již v roce 1990. Struktura vizuálního rodopsinu zůstala neznámá až do roku 2003.
Z hlediska své struktury je molekula opsinu polypeptidovým řetězcem 348 aminokyselinových zbytků. Aminokyselinovou sekvenci opsinu určili ruští vědci v laboratoři Yu.A. Ovchinnikov na Institutu bioorganické chemie pojmenované po. MM. Shemyakin v Moskvě. Tyto studie poskytují důležité informace o trojrozměrné struktuře tohoto důležitého proteinu překlenujícího membránu disku. Polypeptidový řetězec opsinu tvoří sedm transmembránových a-helikálních oblastí umístěných přes membránu a vzájemně propojených krátkými nehelikálními oblastmi. V čem N-konec je v extracelulární oblasti a C-konec α-helixu - v cytoplazm. Molekula 11- je spojena s jedním z a-helixů. cís-retinální, umístěný blízko středu membrány tak, že její dlouhá osa je rovnoběžná s povrchem membrány (obr. 3). Místo lokalizace 11- cís-retinal, spojený aldiminovou vazbou s ε-aminoskupinou zbytku Lys-296 umístěného v sedmé a-šroubovici. Takže 11- cís-retinal je zabudován do středu komplexního, vysoce organizovaného proteinového prostředí v membráně tyčinkových buněk. Toto prostředí zajišťuje fotochemické „vyladění“ sítnice a ovlivňuje její absorpční spektrum. Samo o sobě zdarma 11- cís-retinal v rozpuštěné formě má absorpční maximum v ultrafialové oblasti spektra - při vlnové délce 380 nm, zatímco rodopsin absorbuje zelené světlo při 500 nm. Tento posun vlnových délek světla je důležitý z funkčního hlediska: vyrovnává absorpční spektrum rodopsinu se spektrem světla vstupujícího do oka.
Absorpční spektrum rhodopsinu je určeno vlastnostmi chromoforu – zbytek 11- cís-retinal a opsin. Toto spektrum u obratlovců má dvě maxima – jedno v ultrafialové oblasti (278 nm), díky opsinu, a druhé ve viditelné oblasti (asi 500 nm) – absorpce chromoforem (obr. 4). Přeměna zrakového pigmentu působením světla na konečný stabilní produkt sestává z řady velmi rychlých mezistupňů. Studiem absorpčních spekter meziproduktů v extraktech rodopsinu při nízkých teplotách, při kterých jsou tyto produkty stabilní, bylo možné detailně popsat celý fotoproces bělení zrakového pigmentu.
Při absorpci molekulou 11- cís-sítnicový foton světla jeho molekula izomerizuje na 11- Všechno-trans-retinal (kvantový výtěžek 0,67) a samotný rodopsin se zbarví (fotolýza). V tomto případě dochází k rotaci kolem vazby mezi 11. a 12. atomem uhlíku 11- cís-retinal, v důsledku čehož se mění geometrie molekuly a vzniká izomerní forma - Všechno-trans-retinal bez ohybu a po 10 ms dochází k alosterickému přechodu rodopsinu do jeho aktivní formy (obr. 5). Energie absorbovaného fotonu světla narovnává ohyb v řetězci mezi 11. a 12. atomem uhlíku. V tomto formuláři 11- cis- sítnice existuje ve tmě. U obratlovců končí fotolýza rodopsinu oddělením chromoforu od opsinu; u bezobratlých zůstává chromofor navázán na protein ve všech fázích fotolýzy. U obratlovců se rodopsin obvykle regeneruje v důsledku interakce opsinu s 11- cís-retinální, u bezobratlých - po absorpci druhého fotonu světla.
Molekula rodopsinu, uložená v membráně tyčinky, je velmi citlivá na světlo (obr. 6). Bylo zjištěno, že absorpce fotonu světla molekulou v polovině případů způsobí izomerizaci 11- cís-retinální. K spontánní izomerizaci molekuly sítnice ve tmě dochází velmi zřídka - přibližně jednou za 1000 let. Tento rozdíl má důležité důsledky pro vidění. Když jeden foton zasáhne sítnici, molekula rodopsinu, která jej absorbuje, s ním reaguje s vysokou účinností, zatímco miliony dalších molekul rodopsinu v sítnici zůstávají „tiché“.
Následné cykly fotochemické přeměny rodopsinu a jeho aktivace vedou k excitaci zrakového nervu v důsledku změn v transportu iontů ve fotoreceptoru. Následně se rodopsin obnoví (regeneruje) jako výsledek syntézy 11- cís-retinal a opsin nebo v procesu syntézy nových disků vnější vrstvy sítnice.
VIZUÁLNÍ CYKLUS RHODOPSINU
V současnosti došlo k určitému pokroku v pochopení toho, co se děje v poslední fázi excitační kaskády – na vnější membráně tyčinek. Cytoplazmatická membrána buňky je selektivně propustná pro elektricky nabité ionty (Na +, Ca 2+), v důsledku čehož vzniká rozdíl elektrického potenciálu mezi vnitřní a vnější stranou buněčné membrány. V klidu nese vnitřek buněčné membrány negativní náboj asi 40 mV vzhledem k vnějšku. V 70. letech 20. století vědci prokázali, že po osvícení buňky světlem se rozdíl potenciálu na membráně tyčinky zvyšuje. Toto zvýšení závisí na intenzitě stimulu a osvětlení pozadí; Maximální rozdíl potenciálů je v tomto případě 80 mV.
Ke zvýšení rozdílu potenciálů - hyperpolarizaci dochází v důsledku snížení permeability membrány pro sodíkové kationty Na +, které nesou kladný náboj. Jakmile byla zjištěna povaha hyperpolarizace, bylo zjištěno, že absorpce jediného fotonu způsobí uzavření stovek sodíkových kanálů v plazmatické membráně tyčinky, což blokuje vstup milionů iontů Na + do buňky. Hyperpolarizace, která vznikla vlivem světelného ozáření, se pak šíří po vnější membráně tyčinky na druhý konec buňky k synaptickému zakončení, kde vzniká nervový impuls a je přenášen do mozku.
Tyto základní studie poskytly vhled do toho, co se děje na začátku a na konci fotochemické kaskády vnímání vizuálního světla, ale ponechaly nevyřešenou otázku, co se stane uprostřed? Jak izomerizace molekuly sítnice v membráně tyčinkového disku způsobí uzavření sodíkových kanálů ve vnější buněčné membráně? Jak je známo, u tyčinek plazmatická membrána nepřichází do kontaktu s membránou disku. To znamená, že přenos signálu z plotének na vnější membránu musí být proveden pomocí intracelulárního mediátoru excitačního signálu. Protože jediný foton může způsobit uzavření stovek sodíkových kanálů, každá událost absorpce fotonu musí být doprovázena tvorbou mnoha molekul mediátorů.
V roce 1973 bylo navrženo, že ve tmě se v kotoučích hromadí vápenaté ionty Ca +, které se po osvětlení uvolňují a difúzí dosáhnou plazmatické membrány a uzavřou sodíkové kanály. Tato atraktivní hypotéza vzbudila velký zájem a zplodila mnoho experimentů. Následné experimenty však ukázaly, že ačkoli vápenaté ionty Ca + hrají důležitou roli ve vidění, nejsou excitačním přenašečem. Roli mediátoru, jak se ukázalo, hraje 3", 5"-cyklický guanosinmonofosfát (cGMP) (obr. 7).
Schopnost cGMP fungovat jako mediátor je určena jeho chemickou strukturou. cGMP je nukleotid ze třídy guanylových nukleotidů nalezených v RNA. Stejně jako ostatní nukleotidy se skládá ze dvou složek: dusíkaté báze, guaninu a pětiuhlíkového cukerného zbytku, ribózy, jejíž atomy uhlíku v polohách 3" a 5" jsou spojeny prostřednictvím fosfátové skupiny. Fosfodiesterová vazba uzavírá molekulu cGMP do kruhu. Když je tento kruh neporušený, cGMP je schopen udržovat sodíkové kanály membrány v otevřeném stavu, a když je fosfodiesterová vazba štěpena enzymem fosfodiesterázou, sodíkové kanály se spontánně uzavřou, což způsobí změnu elektrických vlastností membrány. dojde k nervovému impulsu (obrázek 8).
Mezi excitací rodopsinu a enzymatickým štěpením cGMP existuje několik mezistupňů. Když je molekula 11- cís-retinal absorbuje foton a aktivuje se opsin, rodopsin zase aktivuje enzym zvaný transducin. Interakce aktivované formy rodopsinu s G-proteinem transducinem je klíčovým biochemickým krokem ve vizuálním procesu. Transducin je klíčovým meziproduktem v excitační kaskádě. Tento receptor G protein aktivuje specifickou fosfodiesterázu, která otevírá kruh cGMP, připojuje k němu molekulu vody a hydrolyzuje cGMP. Přestože schéma tohoto procesu není těžké popsat, objasnění a pochopení jeho fyziologické role vyžadovalo mnoho různých experimentů.
Následně bylo zjištěno, že koncentrace cGMP ve vnějších segmentech tyčinek na světle klesá. Následné experimenty ukázaly, že tento pokles je důsledkem hydrolýzy cGMP fosfodiesterázou specifickou pro tento nukleotid. V té době byla kalciová hypotéza stále velmi populární, ale již nebylo pochyb o tom, že cGMP má významný přímý vliv na excitační odpověď.
Na konferenci v roce 1978 P. Liebman z University of Pennsylvania oznámil, že v suspenzi vnějších segmentů tyčinek může jediný foton iniciovat aktivaci stovek molekul fosfodiesterázy za sekundu. V dřívější práci bylo pozorováno mnohem menší zvýšení v přítomnosti jiného nukleotidu, adenosintrifosfátu (ATP), než v přítomnosti guanosintrifosfátu (GTP).
Guanosintrifosfát (GTP) má stejnou strukturu jako necyklická forma GMP, ale v GMP není 5" atom uhlíku spojen s jednou fosfátovou skupinou, ale s řetězcem tří fosfátů spojených navzájem fosfodiesterovými vazbami. energie uložená v těchto vazbách se využívá v mnoha buněčných funkcích.Například, když je z GTP odstraněna jedna fosfátová skupina (za vzniku guanosindifosfátu, GDP), uvolňuje se značné množství energie.Buňka tak přijímá energii, která umožňuje Důležité je také to, že k tomuto procesu dochází při aktivaci fosfodiesterázy, kde GTP slouží jako nezbytný kofaktor.
V roce 1994 bylo možné vstříknout cGMP do vnějšího segmentu neporušené tyčinky a výsledky byly působivé. Jakmile cyklický guanosinmonofosfát vstoupil do buňky, potenciálový rozdíl na plazmatické membráně se rychle snížil a prodleva mezi aplikací světelného pulzu a hyperpolarizací membrány se prudce zvýšila. Je to proto, že cGMP otevírá sodíkové kanály a ty zůstávají otevřené, dokud se cGMP nerozloží světlem aktivovanou fosfodiesterázou na GMP. Tato hypotéza se zdála velmi atraktivní, ale neexistoval pro ni žádný přímý důkaz.
Významný význam v mechanismu přenosu světelného signálu má skutečnost, že k aktivaci fosfodiesterázy je zapotřebí GTP. To naznačuje, že nějaký druh proteinu vázajícího se na GTP může být důležitým aktivačním meziproduktem. Bylo nutné pečlivě prostudovat, co se děje s GTP v prutech. Cílem prvních experimentů bylo detekovat vazbu GTP a jeho derivátů ve vnějších segmentech tyčinek. Radioaktivně značený izotop uhlíku 14C GTP byl inkubován s tyčinkami a fragmenty jejich vnějších segmentů. Po několika hodinách bylo léčivo promyto na filtru, který zadržuje membránové fragmenty a velké molekuly, jako jsou proteiny, a umožňuje průchod malým molekulám, včetně GTP a metabolicky příbuzných sloučenin. Ukázalo se, že významná část radioaktivity zůstává spojena s membránovou frakcí. Později se ukázalo, že v membráně nezůstává GTP, ale GDP.
Tyto experimenty ukázaly, že membrány tyčinek obsahují protein schopný vázat GTP a odstranit z něj jednu fosfátovou skupinu za vzniku GDP. Zdálo se stále jasnější, že takový protein byl klíčovým meziproduktem a že přeměna GTP na GDP by mohla řídit proces aktivace.
Jedním z pozoruhodných faktů bylo, že tyčinkové membrány nejen vážou guanylové nukleotidy, ale když se osvětlí, uvolňuje se z nich GDP, což je proces, který je významně umocněn přítomností GTP v roztoku. Pro vysvětlení těchto jevů byla vytvořena hypotéza. Zdá se, že některý krok v procesu aktivace zahrnuje výměnu GTP za GDP v membráně. To je důvod, proč je uvolňování HDP tak silné a zvyšuje se, když se přidá GTP: GTP musí být nahrazen HDP. GTP se následně změní na HDP.
Bylo zjištěno, že výměna GTP za HDP souvisí s ústřední událostí aktivačního procesu. Byl studován vliv světla na absorpci GDP tyčovými membránami a bylo zjištěno, že fotoexcitace jedné molekuly rodopsinu vede k navázání asi 500 molekul GTP. Objev tohoto vylepšení byl důležitým krokem k vysvětlení vylepšení, které je vlastní excitační kaskádě.
Tento zásadní výsledek vedl k důležitému závěru, že excitační kaskáda zahrnuje proteinový meziprodukt, který existuje ve dvou stavech. V jednom státě váže HDP, v jiném GTP. Výměna GDP za GTP, která slouží jako signál pro aktivaci proteinu, je iniciována molekulou rodopsinu a následně aktivuje specifickou fosfodiesterázu. Fosfodiesteráza štěpí cyklický GMP, který uzavírá sodíkové kanály v plazmatické membráně. Tento protein byl brzy izolován. Říká se mu transducin, protože zprostředkovává transdukci – přeměnu světla na elektrický signál. Bylo zjištěno, že transducin se skládá ze tří proteinových podjednotek - alfa (α), beta (β) a gama (γ).
Signál je přenášen z aktivovaného rodopsinu na transducin a z jeho GTP formy na fosfodiesterázu. Pokud je tento obrázek správný, dalo by se za prvé očekávat, že transducin může být převeden na formu GTP v nepřítomnosti fosfodiesterázy a za druhé, že fosfodiesteráza může být aktivována světlem excitovaným rhodopsinem. K testování tohoto předpokladu byl použit syntetický membránový systém neobsahující žádnou fosfodiesterázu. Na umělou membránu byl aplikován purifikovaný transducin ve formě GDP a poté byl přidán aktivovaný rodopsin. V těchto experimentech bylo zjištěno, že každá molekula rodopsinu katalyzuje příjem 71 molekul analogu GTP do membrány. To znamená, že aktivací transducinu každá molekula rodopsinu katalyzuje výměnu GDP za GTP v mnoha molekulách transducinu. Podařilo se tak objevit zesilující účinek rhodopsinu, k jehož projevu byla izolována purifikovaná aktivní forma transducinu - ve formě jeho komplexu s GTP. Zde na výzkumníky čekalo překvapení. V neaktivní formě GDP je molekula transducinu neporušená – všechny tři její podjednotky jsou umístěny společně. Ukázalo se, že při přechodu na formu GTP transducin disociuje: podjednotka α je oddělena od podjednotek β a γ proteinu a GTP se váže na volnou podjednotku α.
Bylo nutné zjistit, která podjednotka transducinu - α- (s připojeným GTP) nebo β-, γ-podjednotka aktivuje fosfodiesterázu. Bylo zjištěno, že fosfodiesteráza je aktivována α podjednotkou v komplexu s GTP; β- a γ-podjednotky, které zůstávají spolu, neovlivňují fungování enzymu. Navíc α-podjednotka způsobila aktivaci transducinu i bez rhodopsinu; to vysvětluje předpoklad, že transducin může aktivovat fosfodiesterázu bez přítomnosti rhodopsinu.
Mechanismus aktivace specifické fosfodiesterázy transducinem byl nyní podrobně studován. Ve tmě má fosfodiesteráza malou aktivitu, protože je v inaktivovaném stavu. Přidání malého množství trypsinu, enzymu, který štěpí proteiny, aktivuje fosfodiesterázu. Molekula fosfodiesterázy se skládá ze tří polypeptidových řetězců; jako transducin jsou označovány jako α- , β- a γ- podjednotky . T ripsin ničí γ - podjednotka, ale ne α- a β -podjednotka. Ukázalo se tedy, že γ-podjednotka slouží jako inhibitor fosfodiesterázy.
Později se podařilo izolovat γ-podjednotku v její čisté formě, přidat ji k aktivnímu komplexu α, β-podjednotek a bylo zjištěno, že γ-podjednotka potlačuje katalytickou aktivitu transducinu o více než 99 %. Navíc míra destrukce γ - podjednotek trypsinem dobře odpovídá rychlosti aktivace fosfodiesterázy v excitační kaskádě. Transducin ve formě GTP se může vázat na γ - podjednotku fosfodiesterázy, tvořící komplex.
Všechny tyto údaje tvoří následující obrázek. Po vystavení světlu se α-podjednotka transducinu s připojeným GTP naváže na fosfodiesterázu a uvolní se γ-podjednotka, která ji inhibuje. V důsledku toho se aktivuje transducin a projeví se katalytická aktivita fosfodiesterázy. Tato aktivita je skvělá: každá aktivovaná molekula enzymu dokáže hydrolyzovat 4200 molekul cyklického guanosinmonofosfátu za 1 sekundu. Většina biochemických reakcí vizuálního cyklu se tedy vyjasnila (obr. 9). Počáteční fází excitační kaskády je absorpce fotonu rodopsinem. Aktivovaný rodopsin pak interaguje s transducinem, což vede k výměně GDP za GTP, který se vyskytuje na α-podjednotce transducinu. Výsledkem je, že podjednotka α je oddělena od zbytku enzymu, čímž se aktivuje fosfodiesteráza. Ten štěpí mnoho molekul cGMP . Tento proces trvá jen asi milisekundu. Po nějaké době „vestavěný časovač“ transducinové α-podjednotky štěpí GTP za vzniku GDP a α-podjednotka je znovu spojena s β- a γ-podjednotkami. . Obnovuje se také fosfodiesteráza. Rhodopsin je inaktivován a poté se mění na formu připravenou k aktivaci.
Působením jedné molekuly rodopsinu vzniká několik stovek aktivních α komplexů - GTP transducinová podjednotka, která je prvním krokem amplifikace. α-podjednotka transducinu, nesoucí GTP, pak aktivuje fosfodiesterázu. V této fázi nedochází k žádnému zesílení; Každá molekula α-podjednotky transducinu váže a aktivuje jednu molekulu fosfodiesterázy. Další stupeň amplifikace zajišťuje pár transducin-fosfodiesteráza, který působí jako jeden. α-podjednotka transducinu zůstává spojena s fosfodiesterázou, dokud neštěpí 3"-5" vazbu v cyklickém guanosinmonofosfátu. Každá molekula aktivovaného enzymu může přeměnit několik tisíc molekul GMP. Tato amplifikace poskytovaná rodopsinem je základem pozoruhodné účinnosti přeměny, kterou jediný foton způsobuje intenzivní nervový impuls.
Tělo je však schopno vnímat světlo mnohokrát, což znamená, že tento cyklus se musí vypnout. Ukazuje se, že transducin hraje klíčovou roli nejen při aktivaci, ale také při deaktivaci. Jeho α-podjednotka má vestavěný „časovací“ mechanismus, který přeruší aktivovaný stav a převede vázaný GTP na GDP. Mechanismus působení tohoto „časovače“ není zcela jasný. Je známo, že hydrolýza GTP s tvorbou HDP ve fázi deaktivace hraje důležitou roli při realizaci celého cyklu. Reakce vedoucí k aktivaci jsou energeticky příznivé. Naproti tomu některé deaktivační reakce jsou nevýhodné; Bez převodu GTP na HDP nelze systém resetovat pro novou aktivaci.
Když je GTP štěpen za vzniku GDP, α podjednotka transducinu uvolňuje inhibiční y podjednotku fosfodiesterázy. Podjednotka γ se poté znovu naváže na fosfodiesterázu a vrátí ji do klidového stavu. Transducin obnovuje svou předaktivační formu díky opětovnému sjednocení podjednotek α a β, γ . Rhodopsin je deaktivován enzymem, kinázou, která rozpoznává jeho specifickou strukturu. Tento enzym přidává fosfátové skupiny k několika aminokyselinám na jednom konci opsinového polypeptidového řetězce. Rhodopsin pak tvoří komplex s proteinem arestinem, který blokuje vazbu transducinu a vrací systém zpět do tmavého stavu.
Výzkum vizuální kaskády v polovině 80. a počátku 90. let. se silně spoléhal na předpoklad, že cyklický guanosinmonofosfát otevírá sodíkové kanály ve vnější membráně tyčinky a že jeho hydrolýza vede k jejich uzavření. O mechanismech těchto procesů se však vědělo jen málo. Působí cGMP na kanály přímo nebo prostřednictvím některých mezikroků? Definitivní odpověď na tuto otázku získal v roce 1985 ruský vědec E.E. Fesenko z Ústavu biologické fyziky v Moskvě. K experimentům byla použita mikropipeta, do které byla natažena malá část plazmatické membrány tyčinky. Pevně přilnul ke špičce pipety a strana, která by normálně směřovala dovnitř buňky, se ukázala jako vnější. Tato strana membrány byla promyta různými roztoky a byl stanoven jejich vliv na vodivost sodíku. Výsledky byly zcela jednoznačné: sodíkové kanály se otevírají přímo pomocí cGMP; jiné látky včetně vápenatých iontů Ca + na ně nepůsobí.
Brilantní experimenty ruských vědců vyvrátily myšlenku vápenatých iontů Ca + jako zprostředkovatele buzení a vytvořily poslední článek v excitační kaskádě. Vyjasnil se i obecný obrys budícího obvodu. Jak se očekávalo, tok informací je od rhodopsinu k transducinu, pak k fosfodiesteráze a nakonec k cGMP.
Přestože studium drah a mechanismů excitační kaskády udělalo velký pokrok, řada důležitých otázek stále zůstává nezodpovězena. Zejména není jasné, jak je regulována zesilovací odezva kaskády. Tyčinky jsou mnohem méně citlivé na jasné světlo než ve tmě. Osvětlení pozadí musí nějakým způsobem ovlivnit celkový výsledek systému, tedy celkový zisk vytvořený ve dvou fázích – při přenosu signálu z rodopsinu na transducin a od fosfodiesterázy k cGMP. Mnoho důkazů naznačuje účast iontů vápníku v tomto procesu, ale podrobnosti tohoto mechanismu nejsou plně pochopeny. V tomto ohledu bylo také důležité stanovit strukturu sodíkových kanálů a mechanismy, které zabraňují vyčerpání cyklického guanosinmonofosfátu v buňce. K tomuto výzkumu přispěly především skupiny B. Kauppa z Neurobiologického ústavu Univerzity v Osnabrücku (Německo) a Liebmanna: izolovali cGMP-gated kanály a rekonstruovali jejich funkci na modelových membránách. Klíčovým prvkem je guanylátcykláza, enzym, který syntetizuje cGMP. V buňce dochází ke zpětné regulaci koncentrace cGMP, která zajišťuje po reakci na světelný podnět obnovení koncentrace cGMP na výchozí úroveň. Bez toho by buňka měla možnost pracovat jen párkrát a vyčerpala by tak svou schopnost reagovat na dlouhou dobu.
Výsledky nedávných studií kaskády vizuálních reakcí v tyčinkách jsou relevantní i pro jiné typy buněk. Systém konverze světelného signálu v jiných buňkách fotoreceptorů – čípcích – je podobný jako u tyčinek. Je známo, že čípky obsahují tři zrakové pigmenty podobné rodopsinu, které reagují na světlo určité vlnové délky – červené, zelené nebo modré. Všechny tři pigmenty obsahují 11- cís-retinální. Pomocí metod molekulární genetiky bylo zjištěno, že struktura čípkových pigmentů je stejná jako u rodopsinu. Transducin, fosfodiesteráza a cGMP-gated kanály v čípcích a tyčinkách jsou velmi podobné.
VÝVOJG-PROTEINY
Význam kaskády zahrnující cyklický guanosinmonofosfát není omezen na vidění. Kaskáda excitace v tyčinkách má nápadnou podobnost s mechanismem účinku některých hormonů. Například adrenalin funguje tak, že aktivuje enzym zvaný adenylátcykláza. Adenylátcykláza katalyzuje tvorbu cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP), který slouží jako intracelulární posel pro mnoho hormonů. Byla objevena nápadná podobnost této reakce s fungováním excitační kaskády v tyčích. Stejně jako excitační kaskáda začíná absorpcí fotonu rodopsinem, hormonální kaskáda začíná vazbou hormonu na specifický proteinový receptor umístěný na povrchu buňky. Komplex receptor-hormon interaguje s tzv. G proteinem, který se podobá transducinu. Stejná výměna navázaných molekul, která aktivuje transducin (GTP k GDP), také aktivuje G protein, když interaguje s komplexem receptor-hormon. G protein, stejně jako transducin, se skládá ze tří podjednotek. Adenylátcykláza je aktivována svou α-podjednotkou, která odstraňuje inhibiční účinek. Stimulační účinek G proteinu se také zastaví díky vestavěnému „časovači“, který převádí GTP na HDP.
Podobnost mezi transducinem a G proteiny platí nejen pro aktivitu, ale také pro strukturu. Transducin a G-proteiny patří do stejné rodiny – rodiny receptorových membránových proteinů, které přenášejí určité signály. Všichni dosud identifikovaní zástupci této skupiny mají téměř stejnou α-podjednotku. Kromě toho podjednotka α plní stejnou funkci, jak bylo prokázáno na molekulární úrovni. Nedávno několik laboratoří určilo nukleotidové sekvence DNA kódující a-podjednotky transducinu a tři G proteiny. Soudě podle DNA jsou aminokyselinové sekvence těchto čtyř polypeptidových řetězců identické nebo téměř identické jedna s druhou na přibližně polovině své délky.
Srovnávací analýza genetické informace odhalila, že α-podjednotky transducinu a G-proteinů obsahují jak oblasti, které zůstaly během evoluce nezměněny, tak silně divergentní oblasti. Každý protein má tři vazebná místa: jedno pro guanylové nukleotidy, jedno pro aktivovaný receptor (rhodopsin nebo komplex hormon-receptor) a jedno pro efektorový protein fosfodiesterázu nebo adenylátcyklázu. Vazebná místa pro GTP a GDP, jak by se dalo očekávat na základě jejich rozhodující role v excitační kaskádě, se ukázala jako nejzachovalejší.
Navíc se ukázalo, že GTP-vazebné oblasti těchto proteinů připomínají jednu oblast funkčně zcela odlišného proteinu; tzv. elongační faktor Tu. Tento protein hraje důležitou roli při syntéze proteinů: tvoří komplex s GTP a s molekulami aminoacyl-tRNA a poté se váže na ribozom, tj. zajišťuje proces prodlužování - dodání aminokyselin do místa růstu syntetizovaného proteinu. polypeptidový řetězec. Cyklus událostí, ke kterým dochází u proteinu Tu během jeho fungování, je podobný cyklu transducinu. Cyklus začíná štěpením GTP. Na molekule Tu je vazebné místo GTP a v aminokyselinové sekvenci je velmi podobné vazebným místům pro guanylnukleotid v transducinu a různých G proteinech.
Syntéza proteinů je základním aspektem buněčného metabolismu a je pravděpodobné, že elongační faktor Tu, který je zapojen do tohoto základního procesu, se vyvinul dříve než G proteiny nebo jejich příbuzný transducin. Tento zajímavý protein může být předchůdcem transducinu i G proteinu. Řízené uvolňování a vazba proteinů spojených s výměnou GTP za GDP vzniklé v rané evoluci a elongační faktor Tu může představovat jednu z prvních evolučních variant takového cyklu.
Jednou z úžasných věcí na evoluci je, že mechanismus, který se objevil pro konkrétní funkci, lze později upravit a použít pro úplně jiné funkce. Přesně to se stalo s mechanismem působení Tu. Vznikl během evoluce za účelem syntézy bílkovin, přetrval miliardy let a následně vstoupil do systému přenosu hormonálních a smyslových signálů. V posledních několika letech byla velmi podrobně studována jedna z jeho funkcí, transducinový cyklus. Výsledky těchto studií mají velký vědecký význam, protože na molekulární úrovni bylo možné pochopit jeden z nejúžasnějších smyslových mechanismů - mechanismus přenosu světla a vizuální stimulace.
Snad se brzy odhalí nové představy o barevném vidění. Stále není jasné, zda zelená barva, kterou vidíme, je středním efektem mezi žlutou a modrou, nebo v některých případech odpovídá vlnovým délkám odpovídajícím zelené barvě spektra.
Náš mozek dokáže registrovat zelenou barvu jako spektrometr, tedy při určité délce elektromagnetických vln. Může také zaregistrovat zelenou jako směs žluté a modré. Vnímání barev vizuálním analyzátorem nelze určit jako spektrometr.
Jako příklad míchání elektromagnetických vln, které odpovídají zelené a červené, je uvedena žlutá. Předpokládá se, že během vizuálního aktu působí modro-žluté a zeleno-červené barevné páry. Vizuální analyzátor má schopnost analyzovat určité rozsahy optického spektra, jako jsou barvy. Smícháním zelené a červené nevznikne žádná střední barva. Mozek to vnímá jako žluté. Když jsou emitovány elektromagnetické vlny, které odpovídají zelené a červené, mozek vnímá „střední roztok“ - žlutý.
Stejně tak je modrá a žlutá vnímána jako zelená. To znamená, že mezi dvojicemi modro-žlutá a zeleno-červená dochází ke spektrálnímu míchání barev. To platí i pro situaci, kdy vizuální analyzátor „rozhoduje“ o barvách, na které je citlivější. Stejně tak zelené a modré barvy jsou vnímány jako azurové. Vizuální analyzátor například vždy vnímá oranžovou barvu jako oranžovou, protože se od ní odrážejí elektromagnetické vlny, které odpovídají žluté a červené. Nejnižší zraková citlivost je na fialovou, modrou a červenou. Navíc směs elektromagnetických vln, které odpovídají modré a červené barvě, je vnímána jako fialová. Když se smíchají elektromagnetické vlny, které odpovídají více barvám, mozek je nevnímá jako jednotlivé barvy nebo jako „průměrné“ řešení, ale jako bílou. Tato data naznačují, že pojem barvy není jednoznačně určen vlnovou délkou. Analýza je prováděna „biopočítačem“ - mozkem a myšlenka barvy je ve své podstatě produktem našeho vědomí.
ZÁVĚR
Strukturální studie rodopsinu a dalších příbuzných chromoforických proteinů obsahujících sítnici (jodopsin, bakteriorhodopsin), stejně jako identifikace očních patologií spojených s jeho fungováním, probíhají ve Výzkumném centru lékařských věd (Bulharsko) posledních 10 let, a mezi problémy vyžadující rychlé řešení lze identifikovat následující:
Jaké strukturální transformace doprovázejí aktivaci rodopsinu a dávají mu schopnost interakce s receptorovými G-proteiny (transducin, proteinkinázy a arestin)?
Jaké jsou prostorové struktury aktivovaných komplexů rodopsinu a transducinu?
Jaký je mechanismus buněčného „zrání“ a degradace rodopsinu?
Další výzkum rodopsinu má nejen zásadní vědecký, ale i aplikační význam a lze jej využít k léčbě či prevenci biochemických poruch zraku. Rhodopsin je nejvíce studovaným proteinem z rodiny GPCR receptorů a výše uvedené poznatky pro něj získané mohou být použity ke studiu struktury a funkčních vlastností jiných transmembránových proteinů této rodiny, například bakteriorhodopsinu.
LITERATURA
1. D. Hubel. Oko, mozek, zrak/ ed. A. L. Byzova., Mir, Moskva (1990), 172 s.
2. M. J. Hogan, J. A Alvarado, J. E. Weddell. Histologie lidského oka, Saunders, Philadelphia (1971), 115 s.
3. J. Nathans, D. Thomas, D. S. Hogness. “ Molekulární genetika lidského barevného vidění: geny kódující modré, zelené a červené pigmenty“, Věda, 232(47), 193–202 (1986).
4. R. Henderson, J. M. Baldwin, T. A. Česká, F. Zemlin, E. Beckmann, K. H. Downing. „Model struktury bakteriorhodopsinu založený na elektronové kryomikroskopii s vysokým rozlišením“, J. Mol. Biol., 212 , 899–29 (1991).
5. K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R.E. Stenkamp, M. Yamamoto, M. Miyano, „Krystalová struktura rodopsinu: receptor spojený s G-proteinem“, Věda, 289 , 739–745 (2000).
6. Yu. A. Ovchinnikov, N. G. Abdulaev, M. Yu. Feigina, I. D. Artamonov, A. S. Bogachuk. „Vizuální rodopsin: Kompletní sekvence aminokyselin a topologie v membráně“, Bioorganická chemie, 10 , 1331–1340 19830.
7. P.A. Hargrave, J.H. McDowell, D.R. Curtis, J. K. Wang, E. Juszczak, S. L. Fong, J. K. Rao, P. Argos, "Struktura bovinního rodopsinu," Biophys. Struktura. Mech., 9 , 235–244 (1983).
8. G. F. Schertler, P. A. Hargrave, „Projekční struktura žabího rodopsinu ve dvou krystalických formách“, Proč. Natl. Akad. Sci. U. S. A., 9 2, 11578–11582 (1995).
9. V. M. Lipkin. „Vizuální systém. Mechanismy přenosu a zesílení vizuálního signálu v sítnici,“ Sorosův vzdělávací časopis, 9 , 2–8 (2001).
10. Y. Shichida, H. Imai. "Vizuální pigment: receptor pro světelné signály spřažený s G-proteinem", Buňka. Mol. Život Sci., 54 , 1299–1315 (1998).
11. A. B. Rubin. Fototransformace bakteriorhodopsinu a rodopsinu, Biofyzika, svazek 2., Moskva, Nauka (2004), 87 s.
12. Y. Liang, D. Fotiadis, T. Maeda, A. Maeda, A. Modzelewska, S. Filípek, D. A. Saperstein, A. Engel, K. Palczewski. "Signalizace a organizace rodopsinu u heterozygotních rhodopsin knockout myší," J. Biol. chem., 279 , 48189–48196 (2004).
13. J. M. Baldwin, G. F. Schertler, V. M. Unger. "A uhlíkový templát pro transmembránové šroubovice v rodopsinové rodině receptorů spřažených s G-proteinem", J. Mol. Biol., 272 , 144–164 (1997).
14. J. Fitzgibbon, B. Appukuttan, S. Gayther, D. Wells, J. Delhanty, D. M. Hunt. „Lokalizace genu lidského pigmentu modrého čípku do chromozomového pásu 7q31.3-32“, Lidská genetika, 93 (1), 79–80 (1994).
15. K. Palczewski “G-Protein-Coupled Receptor Rhodopsin”, Annu. Rev. Biochem., 7 5, 743–767 (2006).
16. P. S. Park, S. Filípek, J. W. Wells, K. Palczewski. „Oligomerizace receptorů spřažených s G-proteinem: minulost, přítomnost a budoucnost“, Biochemie, 43 , 15643–15656 (2004).
17. I. Ignatov, M. Marinov. Barevná Kirlianova spektrální analýza. Pozorování barev s vizuálním analyzátorem, EUROMEDICA, Hannover, (2008), 32 s.
18. O.V. Mosin, I. I. Ignatov. „Přirozený fotokonvertující nanomateriál bakteriorhodopsin z halofilní bakterie Halobacterium halobium“, nanomateriály a nanostruktury, 2 , 47-58 (2012).
Vlastnosti lidského vidění
Člověk nevidí v úplné tmě. Aby člověk viděl předmět, musí se od předmětu odrazit světlo a dopadnout na sítnici. Zdroje světla mohou být přirozené (oheň, Slunce) a umělé (různé lampy).
Lidské oko je rádiový přijímač schopný přijímat elektromagnetické vlny určitého (optického) frekvenčního rozsahu. Primárními zdroji těchto vln jsou tělesa, která je vyzařují (slunce, lampy atd.), sekundárními zdroji jsou tělesa odrážející vlny primárních zdrojů. Světlo ze zdrojů vstupuje do oka a činí je viditelnými pro lidi. Pokud je tedy těleso propustné pro vlny ve viditelném frekvenčním rozsahu (vzduch, voda, sklo atd.), nemůže být okem detekováno.
Díky vidění přijímáme 90 % informací o světě kolem nás, oko je tedy jedním z nejdůležitějších smyslových orgánů. Oko lze nazvat složitým optickým zařízením. Jeho hlavním úkolem je „přenést“ správný obraz do zrakového nervu.
Světelná citlivost lidského oka
Schopnost oka vnímat světlo a rozpoznávat různé stupně jeho jasu se nazývá vnímání světla a schopnost přizpůsobit se různému jasu osvětlení se nazývá adaptace oka; citlivost na světlo se posuzuje prahovou hodnotou světelného podnětu. Člověk s dobrým zrakem vidí v noci světlo ze svíčky na vzdálenost několika kilometrů. Maximální světelné citlivosti je dosaženo po dostatečně dlouhé adaptaci na tmu.
Lidské oko obsahuje dva typy světlocitlivých buněk (receptorů): vysoce citlivé tyčinky, zodpovědné za vidění za šera (noční) a méně citlivé čípky, zodpovědné za barevné vidění.
V lidské sítnici jsou tři typy čípků, jejichž maximální citlivost se vyskytuje v červené, zelené a modré části spektra. Distribuce typů čípků v sítnici je nerovnoměrná: „modré“ čípky se nacházejí blíže k periferii, zatímco „červené“ a „zelené“ čípky jsou rozmístěny náhodně. Korespondence typů kuželů se třemi „primárními“ barvami umožňuje rozpoznání tisíců barev a odstínů. Křivky spektrální citlivosti tří typů čípků se částečně překrývají, což přispívá k fenoménu metamerie. Velmi silné světlo excituje všechny 3 typy receptorů, a je proto vnímáno jako oslepující bílé záření.
Rovnoměrná stimulace všech tří prvků, odpovídající váženému průměru denního světla, také vytváří pocit bílé. Lidské barevné vidění je řízeno geny kódujícími světlocitlivé opsinové proteiny. Podle zastánců třísložkové teorie stačí pro vnímání barev přítomnost tří různých proteinů, které reagují na různé vlnové délky. Většina savců má pouze dva z těchto genů, a proto mají černobílé vidění.
Člověk nevidí očima, ale očima, odkud se informace přenášejí přes zrakový nerv, chiasma, zrakové dráhy do určitých oblastí týlních laloků mozkové kůry, kde je obraz vnějšího světa, který vidíme. vytvořený. Všechny tyto orgány tvoří náš vizuální analyzátor neboli zrakový systém.
Změny vidění s věkem
U novorozenců a předškolních dětí je čočka konvexnější a elastičtější než u dospělého, její lomivost je vyšší. To umožňuje dítěti jasně vidět předmět na kratší vzdálenost od oka než dospělý. A pokud je u dítěte průhledná a bezbarvá, pak u dospělého má čočka mírně nažloutlý odstín, jehož intenzita se může s věkem zvyšovat. To neovlivňuje zrakovou ostrost, ale může ovlivnit vnímání modré a fialové barvy. Senzorické a motorické funkce zraku se vyvíjejí současně. V prvních dnech po narození jsou pohyby očí asynchronní, když je jedno oko nehybné, lze pozorovat pohyb druhého. Schopnost fixovat předmět pohledem se vytváří mezi 5. dnem a 3–5 měsícem. Reakce na tvar předmětu je pozorována již u 5měsíčního dítěte. U předškoláků je první reakce způsobena tvarem předmětu, dále jeho velikostí a nakonec barvou. S věkem se zvyšuje zraková ostrost a zlepšuje se i stereoskopické vidění. Stereoskopické vidění(z řeckého στερεός - pevné, prostorové) - typ vidění, při kterém je možné vnímat tvar, velikost a vzdálenost k předmětu např. díky binokulárnímu vidění Stereoskopické vidění dosahuje optimální úrovně do 17 let. –22 a od 6 let mají dívky stereoskopickou ostrost vidění vyšší než chlapci. Zorné pole se rychle zvětšuje. Ve věku 7 let je jeho velikost přibližně 80 % velikosti zorného pole dospělého. Po 40 letech dochází k poklesu úrovně periferního vidění, to znamená, že se zužuje zorné pole a zhoršuje se boční pohled. Zhruba po 50. roce života klesá tvorba slzné tekutiny, takže oči jsou méně hydratované než v mladším věku. Nadměrná suchost se může projevit zarudnutím očí, bolestí, slzením očí při vystavení větru nebo jasnému světlu. To nemusí záviset na normálních faktorech (časté namáhání očí nebo znečištění ovzduší). S věkem lidské oko začíná vnímat okolí matněji, s poklesem kontrastu a jasu. Schopnost rozpoznávat barvy, zejména ty, které jsou si barevně blízké, může být také narušena. To přímo souvisí se snížením počtu buněk sítnice, které vnímají odstíny barev, kontrast a jas. Některé zrakové vady související s věkem jsou způsobeny presbyopií, která se projevuje nejasnými, rozmazanými obrazy při pokusu podívat se na předměty umístěné v blízkosti očí. Schopnost zaostřit vidění na malé předměty vyžaduje akomodaci asi 20 dioptrií (zaostření na předmět 50 mm od pozorovatele) u dětí, až 10 dioptrií ve věku 25 let (100 mm) a úrovně 0,5 až 1 dioptrie ve věku 60 let ( schopnost zaostřit na objekt vzdálený 1-2 metry). Předpokládá se, že je to způsobeno oslabením svalů, které regulují zornici, přičemž se zhoršuje i reakce zornic na světelný tok vstupující do oka. Při čtení v šeru proto vznikají potíže a při změnách osvětlení se prodlužuje doba adaptace.
S věkem se také rychleji začíná objevovat zraková únava a dokonce i bolesti hlavy.
Psychologie vnímání barev
Psychologie vnímání barev - schopnost člověka vnímat, identifikovat a pojmenovávat barvy. Vnímání barev závisí na komplexu fyziologických, psychologických, kulturních a sociálních faktorů. Zpočátku byl výzkum vnímání barev prováděn v rámci vědy o barvách; Později se k problému přidali etnografové, sociologové a psychologové. Vizuální receptory jsou právem považovány za „část mozku přenesenou na povrch těla“. Nevědomé zpracování a korekce zrakového vjemu zajišťuje „správnost“ vidění a je také příčinou „chyb“ při posuzování barvy za určitých podmínek. Eliminace „pozadí“ osvětlení oka (například při pohledu na vzdálené předměty úzkou trubicí) tedy výrazně mění vnímání barvy těchto předmětů. Vzhledem k povaze oka může mít světlo, které vyvolává vjem stejné barvy (například bílé), tedy stejného stupně excitace tří zrakových receptorů, odlišné spektrální složení. Ve většině případů si člověk tohoto efektu nevšimne, jako by „hádal“ barvu. Je to proto, že ačkoli barevná teplota různého osvětlení může být stejná, spektra přirozeného a umělého světla odraženého stejným pigmentem se mohou výrazně lišit a způsobit odlišný barevný vjem.
Obvodový vidění(pole vidění) - vymezit hranice pole vidění při jejich promítání na kulovou plochu (pomocí perimetru).
0Abychom viděli, potřebujeme světlo. Tento bod se může zdát příliš samozřejmý, než aby stálo za zmínku, ale nebylo to vždy tak běžné. Platón se domníval, že vizuální vnímání neexistuje proto, že světlo vstupuje do oka, ale proto, že částice vycházející z očí obalují okolní předměty. Je těžké si nyní představit, proč se Platón nepokusil problém vyřešit pomocí jednoduchých experimentů. Přestože otázka, jak vidíme, byla vždy oblíbeným tématem myšlení a teoretizování filozofů, teprve v minulém století se tento problém stal předmětem systematického zkoumání; to je docela zvláštní, protože všechna vědecká pozorování závisí na čtení lidských smyslů a hlavně na vidění.
Za posledních 300 let existovaly dvě konkurenční teorie o povaze světla. Isaac Newton (1642-1727) věřil, že světlo je proud částic, zatímco Christiaan Huygens (1629-1695) tvrdil, že světlo se jeví jako vibrace malých pružných kulovitých útvarů, které se vzájemně dotýkají a pohybují se ve všeprostupujícím médiu - tzv. éter. Věřil, že jakékoli narušení tohoto média se bude šířit všemi směry ve formě vlny a tato vlna je světlo.
Kontroverze o povaze světla je jednou z nejpůsobivějších a nejzajímavějších v historii vědy. Hlavním problémem v raných fázích diskuse bylo, zda se světlo pohybuje určitou rychlostí nebo zda dosáhne svého cíle okamžitě. Odpověď na tuto otázku dostal zcela nečekaně dánský astronom Roemer (1644-1710). Studoval zatmění čtyř jasných měsíců obíhajících kolem Jupiteru a zjistil, že periody mezi zatměními byly nepravidelné a závisely na vzdálenosti mezi Jupiterem a Zemí.
V roce 1675 došel k závěru, že tato skutečnost byla určena dobou, za kterou světlo vycházející z Jupiterových satelitů dosáhlo oka experimentátora; čas se zvyšuje se vzdáleností kvůli omezené rychlosti světla. Ve skutečnosti je vzdálenost Země od Jupiteru přibližně 299 274 000 km – to je dvojnásobek vzdálenosti od Země ke Slunci; největší časový rozdíl, který pozoroval, byl 16 minut. 36 sekund - během tohoto časového období, dříve nebo později, než se očekávalo, začalo zatmění satelitů. Na základě poněkud chybného odhadu vzdálenosti ke Slunci vypočítal, že rychlost světla je 308 928 km/sec. Moderní poznatky o průměru zemské oběžné dráhy nám umožňují tuto hodnotu objasnit a považovat ji za rovnou 299 274 km/sec, neboli 3x10 10 cm/sec. Rychlost světla se tak měří velmi přesně na krátké vzdálenosti od Země a nyní ji považujeme za jednu ze základních konstant Vesmíru.
Kvůli omezené rychlosti světla a určitému zpoždění nervových vzruchů vstupujících do mozku vždy vidíme minulost. Naše vnímání Slunce je opožděno o 8 minut; každý ví, že nejvzdálenější objekt viditelný pouhým okem, mlhovina Andromeda, již neexistuje a to, co vidíme, se stalo milion let předtím, než se na Zemi objevil člověk.
Rychlost světla rovna 3x10 10 cm/sec je přísně zachována pouze v úplném vakuu. Když světlo prochází sklem nebo vodou nebo jiným světlo propouštějícím prostředím, jeho rychlost klesá podle indexu lomu světla (přibližně podle hustoty toho prostředí). Toto zpomalení rychlosti světla je nesmírně důležité, protože právě tato vlastnost světla umožňuje hranolu lámat světlo a čočce vytvářet obraz. Zákon lomu (vychýlení paprsku světla v závislosti na změně indexu lomu) poprvé zavedl profesor matematiky Snell v Leidenu v roce 1621. Snell zemřel ve věku 35 let a jeho díla zůstala nepublikovaná. Descartes formuloval zákon lomu o jedenáct let později. Zákon lomu říká:
"Když světlo prochází z média A do média B, poměr sinus úhlu dopadu k sinu úhlu lomu světla je konstantní."
Jak se to děje, vidíme na jednoduchém schématu (obr. 2, 3): je-li AB paprsek procházející hustým prostředím do vakua (nebo vzduchu), pak se ve vzduchu objeví pod úhlem i podél přímky BD .
Zákon říká, že sin i/sin r je konstanta. Tato konstanta je index lomu nebo index lomu, označovaný v.
Newton se domníval, že částice světla (korpuskuly) jsou přitahovány k povrchu hustého média, Huygens věřil, že k lomu dochází v důsledku skutečnosti, že rychlost světla v hustém prostředí klesá. Tyto předpoklady byly vysloveny dávno předtím, než francouzský fyzik Foucault přímým měřením dokázal, že rychlost světla v hustém prostředí skutečně klesá. Nějakou dobu se věřilo, že Newtonova korpuskulární teorie světla je zcela mylná a že světlo je pouze série vln procházejících médiem, éterem; Počátek tohoto století byl však poznamenán důležitými důkazy, že vlnová teorie světla nevysvětluje všechny světelné jevy. Nyní se věří, že světlo jsou částice i vlny.
Světlo se skládá z jednotek energie – kvant. Spojují vlastnosti jak částic, tak vlnění. Krátkovlnné světlo obsahuje více vln v každém paprsku než světlo dlouhovlnné. Tato skutečnost se odráží v pravidle, podle kterého je energie jednoho kvanta funkcí frekvence, jinými slovy E = hv, kde E je energie v erg/sec; h je malá konstanta (Planckova konstanta) a υ je frekvence záření.
Při lomu světla hranolem je každá frekvence vychýlena pod trochu jiným úhlem, takže z hranolu vystupuje paprsek světla v podobě vějíře paprsků, zbarvený do všech barev spektra. Newton objevil, že bílé světlo se skládá ze všech barev spektra tím, že rozloží paprsek slunečního světla na spektrum a pak zjistí, že může znovu smíchat barvy a vytvořit bílé světlo průchodem spektra přes druhou podobnou sadu hranolů. v opačné poloze.
Newton označil sedm barev svého spektra takto: červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigová, fialová. Nikdo nevidí modrou v její čisté podobě, oranžová je ještě spornější. Toto rozdělení spektra na barvy se vysvětluje tím, že Newton miloval číslo 7 a přidal oranžovou a modrou, aby získal magické číslo!
Nyní víme, co Newton nevěděl, totiž že každá spektrální barva neboli odstín je světlem o určité frekvenci. Víme také, že takzvané elektromagnetické záření se v podstatě neliší od světla. Fyzikální rozdíl mezi rádiovými vlnami, infračerveným světlem, viditelným světlem, ultrafialovým a rentgenovým zářením je jejich frekvence. Pouze velmi úzký rozsah těchto frekvencí vzrušuje oko a vytváří obraz a vjem barev. Diagram (obr. 2, 5) ukazuje, jak úzké je toto pásmo ve fyzickém obrazu vln. Podívejte se na tuto kresbu, protože jsme téměř slepí!
Pokud známe rychlost světla a jeho frekvenci, je snadné vypočítat vlnovou délku, ale ve skutečnosti je frekvence světla těžko přímo měřitelná. Jednodušší je měřit vlnovou délku světla než jeho frekvenci, i když to neplatí pro nízkofrekvenční rádiové vlny. Vlnová délka světla se měří štěpením světla nikoli hranolem, ale pomocí speciální mřížky tenkých čar pečlivě nakreslených podle určitých pravidel, v důsledku čehož se objevují i barvy spektra. (To lze vidět, pokud je kotouč světelného polarizátoru držen šikmo, v tupém úhlu ke světelnému zdroji: odraz bude sestávat z jasných barev.) Pokud vzdálenosti mezi čarami nakreslenými v určitém vzoru a tvořícími mřížky a úhlu, díky kterému se paprsek světla jeví dané barvě, lze vlnovou délku určit velmi přesně. Podobným způsobem lze stanovit, že modré světlo má vlnovou délku přibližně 1/100 000 cm, zatímco vlnová délka červeného světla je 1/175 000 cm. Vlnová délka světla je důležitá pro stanovení mezí rozlišovací schopnosti optické nástroje.
Pouhým okem nevidíme jediné kvantum světla, nicméně retinální receptory jsou natolik citlivé, že je lze stimulovat jediným kvantem světla. K získání pocitu záblesku světla je však potřeba několik (pět až osm) kvant světla. Jednotlivé retinální receptory jsou tak citlivé, jak jen může být jakýkoli detektor světla, protože kvantum je nejmenší množství zářivé energie, které může existovat. Průhledná vodivá média oka bohužel nejsou zdaleka dokonalá a skrývají schopnost sítnice vnímat světlo. Pouze asi 10 % světla vstupujícího do oka se dostane k receptorům, zbytek se ztratí v důsledku absorpce a rozdělení v oku dříve, než světlo dosáhne sítnice. I přes tyto ztráty je možné za ideálních podmínek spatřit jednu svíčku na vzdálenost 27 353 m.
Myšlenka kvantové povahy světla je důležitá pro pochopení vizuálního vnímání; tato myšlenka inspirovala řadu elegantních experimentů zaměřených na objasnění fyzikálních vlastností světla a toho, jak je vnímáno okem a mozkem. První experiment věnovaný studiu kvantové povahy světla provedli tři fyziologové - Hecht, Schler a Pirenne v roce 1942. Jejich práce je dnes již klasická. Za předpokladu, že by oko mělo mít téměř nebo úplně stejnou citlivost, jaká je teoreticky možná, vymysleli velmi důmyslný experiment, aby zjistili, kolik kvant světla musí receptory vnímat, abychom viděli záblesk světla. Důkaz byl založen na použití Poissonovy distribuce. Popisuje očekávanou distribuci zásahů na cíl. Myšlenka je taková, že alespoň částečně změny citlivosti oka v průběhu času nesouvisejí se stavem oka samotného nebo nervového systému, ale s kolísáním energie slabého zdroje světla. Představte si náhodný proud kulek, ty nezasáhnou cíl konstantní rychlostí, rychlost se bude lišit a podobně dochází ke kolísání množství světelných kvant, která se dostanou do oka. Daný záblesk může obsahovat malé nebo velké množství světelných kvant a pravděpodobnost jeho detekce bude tím vyšší, čím více překročí průměrný počet kvant v záblesku. Pro jasné světlo je tento efekt nevýznamný, ale protože je oko citlivé na několik kvant, je důležité vzít v úvahu kolísání světelné energie při minimálních hodnotách této energie nutných pro vznik vjemu.
Pochopení kvantové podstaty světla je také důležité pro pochopení schopnosti oka rozlišovat jemné detaily. Jedním z důvodů, proč můžeme číst velké noviny pouze při měsíčním světle, je to, že počet kvant dopadajících na sítnici nestačí k vytvoření úplného obrazu za krátkou dobu, kterou oko potřebuje k integraci energie – toto číslo řádově jedna desetina sekundy. Ve skutečnosti to není vše, co lze k tomuto tématu říci; čistě fyzikální faktor díky kvantové povaze světla přispívá ke vzniku známého zrakového jevu - zhoršení zrakové ostrosti v šeru. Donedávna byl tento jev interpretován výhradně jako vlastnost oka. Ve skutečnosti je často poměrně obtížné určit, zda by měl být určitý vizuální jev zařazen do oblasti psychologie, fyziologie nebo fyziky.
Jak vznikají obrazy? Nejjednodušší způsob, jak získat obrázek, je pomocí dírky. Obrázek ukazuje, jak se to dělá. Paprsek z části objektu x může dosáhnout pouze jedné části stínítka y - té části, která se nachází na přímce procházející dírkou. Každá část předmětu osvětluje odpovídající část obrazovky, takže na obrazovce vzniká převrácený obraz předmětu. Obraz vytvořený dírkou bude docela slabý, protože k vytvoření čistého obrazu je potřeba ještě menší dírka (ačkoli pokud je dírka příliš malá, bude obraz rozmazaný, protože je narušena vlnová struktura světla).
Objektiv je vlastně dvojice hranolů. Směrují tok světla z každého bodu objektu do odpovídajícího bodu na obrazovce, čímž poskytují jasný obraz. Na rozdíl od dírky fungují čočky dobře pouze tehdy, jsou-li správně dimenzovány a nainstalovány. Čočka může být špatně nastavená a nemusí pasovat do oka, ve kterém je. Čočka může zaostřit obraz před nebo za sítnicí místo na sítnici samotnou, což způsobí krátkozrakost nebo dalekozrakost. Povrch čočky nemusí být dostatečně sférický a způsobit zkreslení nebo rozmazanou čistotu obrazu. Rohovka může mít nepravidelný tvar nebo může mít nedokonalosti (pravděpodobně v důsledku poškození kovovými hoblinami při práci nebo zrnkem písku při jízdě bez ochranných brýlí). Tyto optické vady lze kompenzovat pomocí umělých čoček – brýlí. Brýle korigují vady akomodace změnou síly čočky; korigují astigmatismus přidáním nesférické složky. Běžné brýle nedokážou korigovat defekty na povrchu rohovky, nicméně nové rohovkové čočky umístěné na oku vytvářejí nový povrch rohovky.
Brýle prodlužují náš aktivní život. S jejich pomocí můžeme ve stáří číst a dělat složitou práci. Před jejich vynálezem se duševní a tělesní pracovníci stali bezmocnými kvůli zrakovým vadám, ačkoli byli stále silní v mysli.
Použité odkazy: R. L. Gregory
Oko a mozek. Psychologie zrakového vnímání: L.R. Gregory
upravil E. Pchelkina, S. Elinson.-m. 1970
Stáhnout abstrakt: Nemáte přístup ke stahování souborů z našeho serveru.
"Barva je to, co vidíte, ne to, co byste mohli vidět."
Ralph M. Ivens
"Barva není nikdy sama, vždy je vnímána obklopena jinými barvami"
Johannes Itten
Rozdělení problému barev na fyzické, psychofyzické a psychologické aspekty není umělou technikou. Emise viditelného světla, hodnocení barvy standardním pozorovatelem za standardních podmínek a vnímání barev, které se vyskytuje jednotlivě a v reálných podmínkách, jsou tři samostatné jevy, z nichž každý se řídí svými vlastními zákony a má své specifické rozdíly. V žádném případě se nesmí míchat.
Vnímání a rozlišování barev každým člověkem je dáno vzájemným vlivem fyziologických procesů a kulturních tradic, ve kterých tento člověk vyrůstal, závisí na systému názvů barev v jeho rodném jazyce a na individuálních vlastnostech jedince. Vidění barev v konkrétních podmínkách je kombinací individuální pozornosti, soustředění, paměti a motivů. Průměrný pozorovatel řekne, že list je zelený, i když světlo dopadající na jeho oči je modré. Nemusí si toho všimnout. Umělec, který se dívá skrz zelené listí, řekne, že pohled do dálky je narůžovělý: díval se na barvu a jeho přizpůsobení se listům způsobilo, že vzdálená mlha byla narůžovělá. Každý má svým způsobem pravdu a každý má právo na svůj úsudek.
Vnímání barev se mění s věkem, v závislosti na zrakové ostrosti, na národnosti člověka, dokonce i na barvě vlasů a co jedl (po jídle citlivost oka na krátkovlnnou (modrou) část spektra Tyto rozdíly se však týkají především jemných odstínů barev, takže s určitým předpokladem můžeme říci, že většina lidí vnímá základní barvy stejným způsobem (samozřejmě s výjimkou barvoslepých lidí).
Dean Judd spočítal, že při dostatečně velkých variacích pozorovacích podmínek dosahuje počet vnímaných barev 10 milionů. Ale to není vše. Rozdíly ve fyzických kvalitách – vlastnostech povrchu nebo materiálu – mohou být překážkou v rozpoznání jejich identity. Obraz světa kolem nás je způsoben nekonečnými variacemi barev a tvarů, které vytváří mnoho typů a kvalit objektů pod různými typy osvětlení. Kromě toho vnímání barev závisí také na podmínkách pozorování: přizpůsobení barev, pozadí, na kterém je daná barva pozorována, náladě člověka, preferencích barev atd.
Existují koncepty izolované a neizolované vnímané barvy (obr. 12).
Obrázek 12. Izolovaná barva a neizolované vnímané barvy
Rozdíl mezi nimi je ten, že izolovaná je barva povrchu nebo barevného světla pozorovaná ve zcela černém prostředí, neizolovaná je barva viditelná na jiném než černém pozadí. V prvním případě pozorovatel vyhodnocuje barvu zcela na základě vizuální informace z očí (bez kontextu), ve druhém, kdy je kolem porovnávaných barev zavedeno bílé pozadí, které nese informaci o zdroji, umožňuje pozorovatel vyhodnotit jeho jas a barvu. V tomto případě již nejsou barvy izolované. Jsou vystaveny okolním barvám a světelnému zdroji.
Barva je trojrozměrná veličina a používá se k charakterizaci každého ze tří rozměrů. subjektivní barevné charakteristiky(obr. 13 ) :
· světlost(platí pro nesvítící předměty) - barevná charakteristika, podle které je povrch vnímán jako difúzně odrážející nebo propouštějící větší či menší podíl dopadajícího světla;
· Barevný tón– barevná charakteristika, která slouží k určení podobnosti dané barvy s konkrétní spektrální nebo purpurovou barvou, definovanou názvem červená, modrá, zelená atd.
· nasycení– barevná charakteristika, která slouží k posouzení rozdílu mezi danou barvou a achromatickou barvou stejné světlosti.
Rýže. 13 Ilustrace změn jedné ze tří barevných charakteristik: světlost, odstín a sytost.
Pocit barev závisí do jisté míry na všech jeho vlastnostech, tedy na všem Barevné parametry by měly být analyzovány v úzkém vztahu. Sytost a světlost nesamosvítících objektů spolu souvisí, protože zvýšení selektivní spektrální absorpce se zvýšením množství (koncentrace) barviva je vždy doprovázeno snížením intenzity odraženého světla, což vyvolává pocit snížení lehkosti. Růže se sytější fialovou barvou je tedy vnímána jako tmavší , než růže se stejným, ale méně výrazným barevným tónem.
Je nutné se podrobně zabývat zákony vnímání světla a barev, protože hrají obrovskou roli v barevném designu.
Zákony vnímání světla a barev(Weber-Fechnerův zákon, adaptace, stálost, kontrast) jsou způsobeny tím, že všechny lidské analyzátory (včetně očí), s jejichž pomocí se energie adekvátního podnětu transformuje do procesu nervové excitace a v konečném důsledku vede k tvorbě čití, mají řadu psychofyziologických nebo psychofyzických vlastností. Tyto vlastnosti jsou podrobně diskutovány:
1. Extrémně vysoká citlivost na adekvátní podněty. Kvantitativní měřítko citlivosti je prahová intenzita, tedy nejnižší intenzita podnětu, jehož dopad dává vjem. Čím nižší je prahová intenzita, nebo jednoduše práh, tím vyšší je citlivost.
2. Diferenciální nebo kontrastní citlivost. Všechny analyzátory mají schopnost stanovit rozdíly v intenzitě mezi stimuly. Hlavní věc je přítomnost kvantitativního vztahu mezi intenzitou vjemu a intenzitou podnětu. E. Weber v řadě experimentů (1830–1834) prokázal, že není vnímáno absolutní, ale relativní zvýšení síly podnětu (světlo, zvuk, tíha tlačí na kůži atd.), tzn. DI/I = konst. Zdánlivý práh tvoří konstantní součást podnětu. Zvyšuje-li se intenzita podnětu, zvyšuje se práh. Na základě těchto pozorování G. Fechner v roce 1860 formuloval „základní psychofyzický zákon“, podle kterého intenzita našich vjemů L úměrné logaritmu intenzity podnětu já : L = k log I/I 0 , Kde já 0 – hraniční hodnota intenzity podnětu. Weber-Fechnerův zákon při popisu vjemu jasu světla je pozorován v malém rozsahu jasu a určuje vztah mezi světlostí a jasem za nejpříznivějších pozorovacích podmínek. Pokud například snížíte ostrost hranice mezi porovnávanými oblastmi, prahová hodnota se zvýší. Je známo, že za šera, kdy je osvětlení nízké, se jas objektů liší hůře než při průměrném osvětlení, a proto se také zvyšuje práh. V podmínkách příliš vysokého jasu mají předměty na oko oslepující účinek a práh se opět zvyšuje. Pro jasy, které jsou na extrémech rozsahu vnímaných jasů, je práh mnohem větší. Kontrastní citlivost oka má maximum při adaptaci jasu.
